JP5716719B2 - 光レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス光を走査し、そのパルス光が物体で反射した反射光を受光することにより、物体に関する情報を取得する光レーダ装置に関する。

従来、パルス光を走査し、そのパルス光が物体で反射した反射光を受光することによって、物体との距離や相対速度等、物体に関する情報を取得する光レーダ装置が知られている。この光レーダ装置の１種として、発光部と受光部とが同軸上にある受発光同軸型の装置がある。

受発光同軸型の光レーダ装置においては、装置の内部又は近傍で発生した不要反射光（クラッタ）が受光素子に入り込み、ノイズとなる現象が問題となる。この問題に対し、不要反射光が存在する期間において、受光素子の感度低減や無効化を行う対策が提案されている（特許文献１、２参照）。

特許第３８８１３１３号公報 特開２００８−２３２６４２号公報

しかしながら、特許文献１、２記載の技術のように、不要反射光が存在する期間において受光素子の感度低減や無効化を行う方法では、検出対象である物体からの反射光の受光タイミングと、不要反射光の受光タイミングとが重なる場合、検出対象である物体からの反射光も検出できなくなってしまう。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、不要反射光の影響を低減し、物体の情報を適切に取得可能な光レーダ装置を提供することを目的とする。

本発明の光レーダ装置は、パルス光を出射する光源と、パルス光を反射する鏡面部を動作させることでパルス光を走査するとともに、物体からの反射光を鏡面部により反射する光走査部と、光源から出射されたパルス光を光走査部に導くとともに、光走査部により反射された反射光を光源の方向とは異なる方向に導く光路変更部と、異なる方向に導かれた反射光を受光する受光部とを備える。

本発明の光レーダ装置は、さらに、パルス光の出射タイミングから所定時間遅れて立ち上がり、反射光とは逆位相の逆位相信号を受光部の出力信号に加算する逆位相信号加算手段を備えることにより、不要反射光の影響を低減し、物体の情報を適切に取得することができる。

特に、本発明の光レーダ装置によれば、検出対象である物体からの反射光の受光タイミングと、不要反射光の受光タイミングとが重なる場合でも、不要反射光の影響を低減するとともに、物体の情報を適切に取得することができる。

前記逆位相信号のタイミングは、例えば、光レーダ装置の内部又は近傍で発生した不要反射光（クラッタ）が受光部で受光されるタイミング、又はその近傍とすることができる。この場合、不要反射光の影響を一層低減することができる。

本発明の光レーダ装置は、逆位相信号の振幅を制御する振幅制御手段を備える。この場合、振幅制御手段により、逆位相信号の振幅を不要反射光の振幅に近づけることで、不要反射光の影響を一層低減することができる。

前記振幅制御手段は、光レーダ装置の状況に応じて逆位相信号の振幅を制御することができる。この場合、光レーダ装置の状況に応じて不要反射光の振幅が変化しても、逆位相信号の振幅もそれに応じて変化させることで、不要反射光の影響を低減することができる。光レーダ装置の状況としては、光走査部の走査方向、光レーダ装置の内部温度、及び光源の累積使用時間が挙げられる。

本発明の光レーダ装置は、受光部が受光する光のうち、パルス光の出射タイミングに対し一定の遅れを有し、定常的に存在する不要反射光を検出した場合は、その不要反射光に対応する逆位相信号の振幅を増大させることができる。この場合、不要反射光を一層低減できる。

前記逆位相信号加算手段は、例えば、逆位相信号の加算をデジタル演算により実行することができる。この場合、光レーダ装置の装置構成を簡略化できる。

光レーダ装置１の全体構成を表す説明図である。 制御部１７の構成を表すブロック図である。 ＬＤ駆動回路２５の構成を表す電子回路図である。 クラッタキャンセル信号１０３、発光トリガ信号１０５、及びクラッタ１０７の関係を表す説明図である。 学習処理を表すフローチャートである。 光レーダ装置１の全体構成を表す説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．光レーダ装置１の構成
光レーダ装置１の構成を図１〜図３に基づいて説明する。光レーダ装置１は、車両に搭載される車載装置であって、受発光同軸型の光レーダ装置である。光レーダ装置１は、光源３、コリメートレンズ５、アパーチャ７、偏光ビームスプリッタ９、λ／４板（１／４波長板）１１、光走査部１２、受光レンズ１３、受光部１５、及び制御部１７を備える。なお、偏光ビームスプリッタ９は光路変更部の一実施形態であり、制御部１７は逆位相信号加算手段、及び振幅制御手段の一実施形態である。

光源３は、端面発光型のＬＤ（レーザダイオード）１８により、図１に示す出射方向Ｄ１に、パルス光１６を出射する光源である。パルス光１６は、所定の偏光方向αに直線偏光している。

コリメートレンズ５は、光源３から、出射方向Ｄ１に進んだ位置に設けられている。コリメートレンズ５は、パルス光１６を平行光にする作用を奏する。
アパーチャ７は、コリメートレンズ５から、出射方向Ｄ１に進んだ位置に設けられている。アパーチャ７は、パルス光１６の広がりを、所定の範囲内に絞る作用を奏する。

偏光ビームスプリッタ９は、アパーチャ７から、出射方向Ｄ１に進んだ位置に設けられており、その面は出射方向Ｄ１に対し４５度傾斜している。偏光ビームスプリッタ９は、周知の構造を有する偏光ビームスプリッタであり、偏光方向αに直線偏光している光は透過させ、偏光方向α以外の方向に偏光している光は反射する。上述したとおり、パルス光１６は偏光方向αに直線偏光しているので、偏光ビームスプリッタ９は、パルス光１６を透過させ、光走査部１２の方向へ導く。また、後述する反射光２３における偏光方向は、偏光方向αに対し９０度ずれているので、反射光２３は、偏光ビームスプリッタ９により、反射方向Ｄ３（光源３の方向とは異なる方向）へ反射される。

λ／４板１１は、偏光ビームスプリッタ９から、出射方向Ｄ１に進んだ位置に設けられており、その面は出射方向Ｄ１に対し傾斜している。λ／４板１１は、直線偏光を円偏光に変換し、また、円偏光を直線偏光に変換する作用を奏する。よって、λ／４板１１は、パルス光１６を円偏光に変換し、後述する反射光２３を直線偏光に変換する。なお、直線偏光に変換された反射光２３の偏光方向は、（円偏光に変換される前の）パルス光１６の偏光方向に対し、９０度ずれている。

光走査部１２は、λ／４板１１から、出射方向Ｄ１に進んだ位置に設けられている。光走査部１２は、片面が鏡面である円形の鏡面板（鏡面部）１９を、軸２１を中心に回動可能に備えている。軸２１は、鏡面板１９の中心を通り、鏡面板１９の面と平行である。また、軸２１の軸方向は図１の紙面と直交する。鏡面板１９の回動範囲は、鏡面板１９の面と、出射方向Ｄ１との成す角度が、１５〜７５度の範囲で変化する範囲である。

鏡面板１９は、パルス光１６を反射方向Ｄ２に反射する。反射方向Ｄ２は、鏡面板１９の回動角度により変化する。すなわち、鏡面板１９の角度を変えることにより、パルス光１６は走査される。

なお、光走査部１２において、鏡面板１９は、軸２１と直交する他の軸（図示略）を中心とする回動も可能であり、パルス光１６を２次元に走査することができる。
反射方向Ｄ２に進んだパルス光１６が外部の物体１０１で反射し、鏡面板１９に戻ってくる光（以下、反射光２３とする）は、鏡面板１９で反射され、λ／４板１１の方向に導かれる。なお、反射光２３は、円偏光している。

受光レンズ１３は、偏光ビームスプリッタ９から反射方向Ｄ３に進んだ位置に設けられている。受光レンズ１３は、反射光２３を収束させる作用を奏する。
受光部１５は、受光レンズ１３から反射方向Ｄ３に進んだ位置に設けられている。受光部１５は周知のＰＤ（フォトダイオード）から成り、反射光２３を検出することができる。

制御部１７は、図２に示すように、光源３を駆動するＬＤ駆動回路２５、コントローラ２７、プリアンプ２９、増幅回路３１、時間計測部３３、キャンセル信号発生回路３５、及び装置状況検出部３７を備える。

コントローラ２７は、後述する処理を実行する周知のコンピュータであり、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備える。
キャンセル信号発生回路３５は、図３に示す構成を有するＲＬＣ回路である。キャンセル信号発生回路３５は、後述する発光トリガ信号が入力する入力端子３５Ａ、後述する振幅制御信号が入力する入力端子３５Ｂ、及び後述するクラッタキャンセル信号（逆位相信号）を出力する出力端子３５Ｃを備えている。また、キャンセル信号発生回路３５は、周知のディレイ回路、及び波形形成回路を備えている。

装置状況検出部３７は、光走査部１２における走査の方向（鏡面板１９の向き）、光レーダ装置１の内部温度、及び光源３の累積使用時間を検出し、検出結果をコントローラ２７に出力する。なお、以下では、光走査部１２における走査の方向、光レーダ装置１の内部温度、及び光源３の累積使用時間をまとめて、光レーダ装置１の状況とする。

２．光レーダ装置１が実行する処理
光レーダ装置１が実行する処理を説明する。コントローラ２７は、ＬＤ駆動回路２５、時間計測部３３、及びキャンセル信号発生回路３５に発光トリガ信号を出力する。また、コントローラ２７は、装置状況検出部３７から取得した光レーダ装置１の状況に基づいて振幅制御信号を作成し、その振幅制御信号をキャンセル信号発生回路３５に出力する。

なお、コントローラ２７は、光レーダ装置１の状況と、振幅制御信号の値とを対応付けた対応マップをＲＯＭに記憶しており、装置状況検出部３７から取得した光レーダ装置１の状況をその対応マップに当てはめて、振幅制御信号の値を定める。

ＬＤ駆動回路２５は、コントローラ２７が出力した発光トリガ信号に応じて光源３を駆動する。駆動された光源３は、出射方向Ｄ１にパルス光１６を出射する。パルス光１６は、コリメートレンズ５によって平行光とされ、アパーチャ７によって絞られ、偏光ビームスプリッタ９を透過し、λ／４板１１によって円偏光に変換される。円偏光に変換されたパルス光１６は、光走査部１２によって走査される。走査されたパルス光１６は、物体１０１により反射され、反射光２３を生じる。

次に、物体１０１から到達する反射光２３は、光走査部１２の鏡面板１９でλ／４板１１の方向に反射され、λ／４板１１によって直線偏光に変換される。直線偏光に変換された反射光２３の偏光方向は、（円偏光に変換される前の）パルス光１６の偏光方向αに対し、９０度ずれている。λ／４板１１を通過した反射光２３は、偏光ビームスプリッタ９によって反射方向Ｄ３に反射され、受光レンズ１３により収束され、受光部１５において検出される。

一方、キャンセル信号発生回路３５は、コントローラ２７が出力した発光トリガ信号と、振幅制御信号とに基づき、クラッタキャンセル信号（逆位相信号）１０３を作成する。このクラッタキャンセル信号１０３は、図４に示すように、発光トリガ信号１０５の立ち上がり１０５Ａ（すなわちパルス光１６の出射タイミング）よりも所定時間遅れて立ち上がるパルス状の信号であり、光レーダ装置１の内部又は近傍で発生するクラッタ１０７、及び反射光２３とは逆位相の信号である。なお、クラッタ１０７としては、偏光ビームスプリッタ９やλ／４板１１においてパルス光１６が反射した光を受光部１５が受光したものがある。

発光トリガ信号１０５の立ち上がり１０５Ａに対するクラッタキャンセル信号１０３の遅れの量は、キャンセル信号発生回路３５におけるディレイ回路により決まる固定値である。また、クラッタキャンセル信号１０３の波形は、キャンセル信号発生回路３５における波形形成回路により決まる、固定された波形である。また、クラッタキャンセル信号１０３の振幅（波高値）は、入力端子３５Ｂに入力した振幅制御信号の値に応じてキャンセル信号発生回路３５にて設定される。

なお、発光トリガ信号１０５の立ち上がりに対するクラッタキャンセル信号１０３の遅れの量、及びクラッタキャンセル信号１０３の波形は、クラッタキャンセル信号１０３とクラッタ１０７とのタイミング及び波形がなるべく近似するように、光レーダ装置１の製造時において予め設定されたものである。また、クラッタキャンセル信号１０３の振幅は、上記のとおり、振幅制御信号により制御され、その振幅制御信号は、コントローラ２７において、光レーダ装置１の状況に応じて選択されるが、コントローラ２７における光レーダ装置１の状況と振幅制御信号との対応関係は、クラッタキャンセル信号１０３の振幅とクラッタ１０７の振幅とがなるべく近似するように予め設定されている。

キャンセル信号発生回路３５は、作成したクラッタキャンセル信号を、受光部１５の出力信号に加算する。クラッタキャンセル信号が加算された出力信号は、時間計測部３３に送られる。時間計測部３３は、コントローラ２７から発光トリガ信号が入力した時刻から、受光部１５の出力信号において反射光２３を検出した時刻までの時間差に基づき、物体１０１までの距離を算出する。

３．光レーダ装置１が奏する効果
（１）光レーダ装置１は、クラッタキャンセル信号を受光部１５の出力信号に加算する。クラッタキャンセル信号は、クラッタと近似するタイミング及び波形を有し、クラッタとは逆位相の信号であるので、クラッタキャンセル信号を加算した後の出力信号においては、クラッタが消滅するか、減衰する。そのため、光レーダ装置１は、クラッタの影響を受けずに、物体１０１までの距離を正確に算出することができる。

特に、物体１０１からの反射光２３を受光部１５が受光したタイミングと、クラッタを受光部１５が受光したタイミングとが重なる場合でも、クラッタの影響を受けずに、物体１０１までの距離を正確に算出することができる。
（２）光レーダ装置１は、その状況に応じて、クラッタキャンセル信号の振幅を制御（調整）することができる。そのため、光レーダ装置１の状況の変化に応じてクラッタの振幅が変化しても、クラッタキャンセル信号の振幅もそれに応じて変化させることで、クラッタの影響を低減することができる。
＜第２の実施形態＞
本実施形態の光レーダ装置１は、前記第１の実施形態と基本的には同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。ただし、本実施形態の光レーダ装置１は、さらに、学習処理を実行可能な構成を有する。この学習処理について以下で説明する。

コントローラ２７は、一定時間ごとに、図５に示す学習処理を繰り返し実行する。図５のステップ１では、「同時に複数の物体を検出し、且つそのうちの一つの物体までの距離がほぼ０ｍである」という条件が成立したか否かを判断する。この判断は、「一つのパルス光１６に対し、そのパルス光１６の出射タイミングよりも遅れて、受光部１５が複数の光を受光し、その複数の光のうちの一つは、距離がほぼ０ｍの物体に対応するタイミングの光である」という条件が成立したか否かという判断と同一である。肯定判断の場合はステップ２に進み、否定判断の場合は本処理を終了する。

ステップ２では、「前記ステップ１で複数の物体を検出したときと同方向にパルス光１６を走査したとき、距離がほぼ０ｍである単一の物体を検出し、且つその受光強度がほぼ一定」という条件が成立したか否かを判断する。この判断は、「前記ステップ１で複数の物体を検出したときと同方向にパルス光１６を走査したとき、距離及び受光強度が前記ステップ１における「一つの物体」と同じ光のみを受光した」という条件が成立したか否かという判断と同一である。肯定判断の場合はステップ３に進み、否定判断の場合は本処理を終了する。

ステップ３では、振幅制御信号の値（すなわちクラッタキャンセル信号の振幅）を定めるために用いる、上述した対応マップを書き換える。具体的には、対応マップにおいて、前記ステップ１、２において距離がほぼ０ｍの物体を検出したときの走査方向に対応する振幅制御信号の値を、書き換え前よりも大きくする。このことにより、パルス光１６の走査方向を、前記ステップ１、２において距離がほぼ０ｍの物体を検出したときの走査方向としたときのクラッタキャンセル信号の振幅が増大する。

本実施形態の光レーダ装置１は、前記ステップ１、２において、定常的に存在するクラッタ（前記ステップ１、２における距離がほぼ０の物体に対応する光）を検出することができる。そして、定常的に存在するクラッタを検出したとき、前記ステップ３において、そのクラッタを打ち消すクラッタキャンセル信号の振幅を増大させる。そのことにより、クラッタを一層低減することができる。

ここで、本実施形態の光レーダ装置１が、前記ステップ１、２において、定常的に存在するクラッタを検出できる理由は以下のとおりである。クラッタは、主に光レーダ装置１内の迷光なので、距離がほぼ０ｍである物体として検出される。径が細いパルス光１６が複数の物体においてそれぞれ反射する可能性は低いので、前記ステップ１において肯定判断がなされた場合、複数の物体のうち、距離がほぼ０ｍである物体として検出された光はクラッタである可能性が高い。さらに、前記ステップ２において、周囲の状況が変わっても（距離が０ｍではない物体が検出されなくなっても）、距離がほぼ０ｍである物体に対応する光が検出され続ける場合、その光は定常的に存在するクラッタと判断できる。

なお、コントローラ２７は、不要反射光検出手段及び振幅増大手段の一実施形態である。
＜第３の実施形態＞
本実施形態の光レーダ装置１は、前記第１の実施形態と基本的には同様の構成を有し、同様の作用効果を奏するが、一部において相違する。以下では、この相違点を中心に説明する。

本実施形態の光レーダ装置１は、図６に示すように、前記前記第１の実施形態と比べて、キャンセル信号発生回路３５及び時間計測部３３を備えておらず、代わりに、Ａ／Ｄ変換部３９を備えている。

本実施形態において、コントローラ２７が、デジタル信号であるクラッタキャンセル信号を作成する。このクラッタキャンセル信号は、発光トリガ信号の立ち上がりよりも所定時間遅れて立ち上がる信号であり、光レーダ装置１の内部又は近傍で発生するクラッタ、及び反射光とは逆位相の信号である。また、クラッタキャンセル信号の振幅は、コントローラ２７が、光レーダ装置１の状況に応じて選択する値である。この光レーダ装置１の状況は、前記第１の実施形態と同様である。

Ａ／Ｄ変換部３９は、受光部１５の出力信号をデジタル信号に変換する。コントローラ２７は、デジタル信号に変換された、受光部１５の出力信号に、上記のクラッタキャンセル信号をデジタル演算により加算する。さらに、コントローラ２７は、クラッタキャンセル信号を加算した後の、受光部１５の出力信号に基づき、物体までの距離を算出する。

本実施形態の光レーダ装置１は、前記第１の実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、前記第１の実施形態に比べて、装置構成を簡略化することができる。
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

例えば、前記第１〜第３の実施形態において、クラッタと同位相のクラッタキャンセル信号を作成し、受光部１５の出力信号から、同位相のクラッタキャンセル信号を減算してもよい。

また、前記第１〜第３の実施形態において、振幅制御信号は、光走査部１２における走査の方向、光レーダ装置１の内部温度、及び光源３の累積使用時間のうちの１又は２に基づいて設定してもよい。また、クラッタキャンセル信号の振幅は固定値であってもよい。

また、前記第１〜第３の実施形態において、クラッタキャンセル信号のタイミング、及び／又は波形も、光レーダ装置１の状況に応じて制御するようにしてもよい。
また、前記第１〜第３の実施形態において、２以上のクラッタキャンセル信号を作成し、それぞれのクラッタキャンセル信号を受光部１５の出力信号に加算してもよい。

また、前記第１〜第３の実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１・・・光レーダ装置、３・・・光源、５・・・コリメートレンズ、
７・・・アパーチャ、９・・・偏光ビームスプリッタ、１１・・・λ／４板、
１２・・・光走査部、１３・・・受光レンズ、１５・・・受光部、
１６・・・パルス光、１７・・・制御部、１９・・・鏡面板、
２１・・・軸、２３・・・反射光、２５・・・ＬＤ駆動回路、
２７・・・コントローラ、２９・・・プリアンプ、３１・・・増幅回路、
３３・・・時間計測部、３５・・・キャンセル信号発生回路、
３５Ａ・・・入力端子、３５Ｂ・・・入力端子、３５Ｃ・・・出力端子、
３７・・・装置状況検出部、３９・・・Ａ／Ｄ変換部、１０１・・・物体、
１０３・・・クラッタキャンセル信号、１０５・・・発光トリガ信号、
１０７・・・クラッタ

Claims (3)

1. パルス光を出射する光源と、
   前記パルス光を反射する鏡面部を動作させることで前記パルス光を走査するとともに、物体からの反射光を前記鏡面部により反射する光走査部と、
   前記光源から出射された前記パルス光を前記光走査部に導くとともに、前記光走査部により反射された前記反射光を前記光源の方向とは異なる方向に導く光路変更部と、
   前記異なる方向に導かれた前記反射光を受光する受光部と、
   前記パルス光の出射タイミングから所定時間遅れて立ち上がり、前記反射光の波形とは逆位相の逆位相信号を前記受光部の出力信号に加算する逆位相信号加算手段と、
   前記光走査部の走査方向、前記光レーダ装置の内部温度、及び前記光源の累積使用時間から成る群から選択される１以上である前記光レーダ装置の状況と、前記状況と前記振幅との予め設定された対応関係とにより前記逆位相信号の振幅を制御する振幅制御手段と、
   前記受光部が受光する光のうち、前記パルス光の出射タイミングに対し一定の遅れを有し、定常的に存在する、検出対象物以外の物体からの不要反射光を検出する不要反射光検出手段と、
   前記不要反射光検出手段で前記不要反射光を検出したときの走査方向に対応する前記逆位相信号の振幅が増大するように前記対応関係を書き換える振幅増大手段と、
   を備え、
   前記所定時間は、前記逆位相信号のタイミングが、検出対象物以外の物体からの不要反射光が前記受光部で受光されるタイミングとなるように、製造時に予め設定された固定値であることを特徴とする光レーダ装置。
2. 前記逆位相信号のタイミングは、前記光レーダ装置の内部又は近傍で発生した不要反射光が前記受光部で受光されるタイミングであることを特徴とする請求項１に記載の光レーダ装置。
3. 前記逆位相信号加算手段は、前記逆位相信号の加算をデジタル演算により実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の光レーダ装置。